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1、五、输入输出（I/O）管理（一）I/O管理概述1. I/O 设备 内部设备：内存和 CPU 外部设备：除内存和 CPU 的设备 设备类型1）按传输速率分类：低速、中速、高速设备。2）按信息交换的单位分类：块设备、字符设备。3）按共享属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备（如SPOOLING系统中用磁盘模拟出来的输入 /输出设备）。 设备与控制器之间的接口 信号类型：数字、控制、状态信号。注：控制器是设备与CPU之间的接口，这里指设备与控制器之间的接口，专指信号类型。2. I/O管理目标 选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作； 控制输入输出设备和CPU （或内存）之间交换数据； 为用户提供友
2、好的透明接口，把用户和设备硬件特性分开，实现设备独立性； 提高设备和设备之间、CPU和设备之间的并行操作度，以使操作系统获得最佳效率。3. I/O 管理功能 提供和进程管理系统的接口。 进行设备、控制器和通道分配。 实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。 进行缓冲区管理。4. I/O 应用接口I/O设备通过控制器与CPU相连，I/O应用接口主要指设备控制器。 控制器：是可编址设备，其中一个地址对应一台设备。 控制器分类：一类用于控制字符设备；一类用于控制块设备。控制器功能：接收识别命令、数据交换、设备状态的了解和报告、地址识别（一个地址对应一台设备 即，识别不同的设备）。5. I/O
3、控制方式I/O控制方式：采用何种方式控制设备与内存之间的数据传输。I/O控制方式目标（宗旨）：减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O事物中解脱出来，去完 成更多的数据处理。I/O 控制方式种类： 程序直接控制方式：CPU与设备串行工作，CPU循环测试设备状态。 中断控制方式：省去了 CPU循环测试的时间，但CPU与设备仍是串行工作。 DMA方式：在DMA的控制下可完成批量数据传输，DMA采用挪用系统总线周期的方式工作。 DMA 方式与中断方式的区别：1）DMA方式是在DMA的控制下完成数据传输，中断方式是在CPU的控制下完成数据传输。2）DMA方式只在开始和结束要求中断处理，中断方式
4、是在缓冲区满要求中断处理。 通道方式：通道是硬件设备，通道通过执行通道程序控制数据传输，在数据传输可完全脱离开CPU。 通道类型：1）字节多路通道：其中包含多个子通道，每个子通道可连接一台设备。一台设备申请到通道后， 只传输一个字节便让出通道，传输下一个字节重新申请。适于慢速设备。2）数组选择通道：只含有一个子通道，一次性完成设备要求的全部数据传输。适于高速设备。3) 数组多路通道：其中包含多个子通道，把上述二者结合在一起。此时把设备要求传输的数据分 成若干组，一次传输一组数据。适于高、中速设备。数组多路通道的最大优点是数据传输速率高，通道利用率高。1. I/O 调度概念 用设备独立性实现普通
5、I/O设备的调度。 旋转型设备(主要指磁盘)存在下述几种调度移臂调度：对来自不同柱面的多个请求，决定服务路线。(见文件部分)旋转调度：对来自同一柱面的多个请求，决定服务路线。此时有三种情况：1) 同一磁道上不同扇区；2) 不同磁道上不同扇区；3) 不同磁道上相同扇区；服务原则：前两者首先完成磁头下扇区的数据传送。第3 种情况可任选一个进行数据传送。例： 请求次序柱面 磁头号 扇区号541515当前磁头在第1扇区，执行次序可能是： 1 2 4 3 或 1 3 4 2 信息优化分布：信息如何分布，得到最快的处理速度。例：如磁盘的每个磁道分成7个块，现有一文件共有7个记录，依次为：A、B、C、D、E
6、、F、G,存放 在某一磁道上，每个记录的大小与块的大小相等，设磁盘的转速为21ms/转，每读出一块后需要2ms的处 理时间，若忽略其它辅助时间，试问：1) 如果顺序存放这些记录并顺序读取，处理该文件需要多少时间？2) 如果要顺序读取该文件，记录如何存放处理时间最短？ 计算此时读取、处理该文件所需的时间 答：读出 1 个记录的时间为： 21/7=3(ms)1) 第1个记录无延迟，后6个记录每个延迟19ms共用(3+2)*7+6*19=149(ms)2) 按如下分布盘块1234567记录AEBFCGD第1个记录无延迟，后6个记录每个延迟1ms共用(3+2)*7+6*1=41(ms)2. 高速缓存与
7、缓冲区磁盘高速缓存：在内存中开辟一个区域，暂存从磁盘中读出的一些盘块。当有进程欲从磁盘中读信息是,先到磁盘高速缓存中去读。 可把磁盘高速缓存看成虚存管理的逆过程，因此也存在置换算法的问题。(置换算法同前) 缓冲区为什么引入缓冲区：缓和CPU、内存与I/O设备速度不匹配的矛盾；减少中断次数；提高CPU与I/O设 备的并行性。缓冲区种类：单、双、多缓冲区和缓冲池。缓冲池： 3 个队列，4 种工作状态。3. 设备分配与回收设备分配流程图4.假脱机技术(SPOOLing)图 2.4SPOOLING 系统SPOOLing 组成：输入井、输出井、井文件、预输入程序、缓输出程序。SPOOLing 系统用软件
8、方法用共享设备（磁盘）模拟独占设备（输入/输出装置）；或把独占设备（输入/输 出装置）改造成了共享设备。5. 出错处理磁盘容错技术1）第一级容错技术（SFT-1） 双份目录和双份分配表； 写后读校验：写盘后马上读出送另一缓冲区再与内存数据比较，如不一致，认为有错，进行修复。2）第二级容错技术（SFT-2） 磁盘镜像：在一个控制器下再增加一个磁盘，同步工作。（磁盘镜像也可放在一个物理盘上） 磁盘双工：两个控制器分别控制两个磁盘，同步工作。3）第三级容错技术（SFT-3） 磁盘冗余阵列：把文件的不同数据块放在不同磁盘的相同位置，采取并性传输方式工作。 后备系统：磁带等。数据一致性处理 1）重复文件的一致性：当修改了重要文件的一个备份，其它备份应同时修改。2）盘块号的一致性：当系统正在修改目录或文件分配表或索引表时，发生故障，系统应有能力检查出发 生的不一致错误，立即报告，由用户进行处理。
